中深层地埋管热泵供热系统运行特性实测研究

通过大量工程实测研究,总结了中深层地埋管热泵供热技术的运行特性。中深层地埋管具有出水温度高、取热功率大、长期运行稳定的特点,为热泵系统提供了高品位的低温热源,以提升其运行性能;同时中深层地埋管自身存在间歇蓄热特性,能很好地满足建筑供热需求变化与柔性用能;无级变频热泵机组更适合与中深层地埋管匹配运行,节能减排效果显著;热源侧水系统具有小流量、大扬程,且阻力随着流量变化而大幅度变化的特性。研究结果可为提升该技术的供热性能提供关键指导。

面向清洁电力消纳的中深层地埋管热泵蓄能系统设计方法研究

电驱动热泵技术在为建筑提供清洁冷热的同时,也成为了与电网协同、消纳清洁电力的关键环节。本文以电驱动热泵技术为核心,冬季供热采用中深层地埋管提供高品位低温热源,夏季供冷结合冷却塔技术构建高效冷热供应系统。在此基础上结合用户侧蓄能技术,实现日间冷热蓄存,同时以充分消纳本场光伏发电及市政清洁电力为目标提出了系统的设计方法与运行控制策略。随后以我国某大型公共建筑为例开展了定量分析,以明确其实际节能减排效果。

多孔中深层地埋管换热器取热性能研究

基于移动线源法和叠加原理,建立考虑地下水渗流的多孔中深层地埋管换热器传热模型,研究渗流速度和大地热流对换热器长期运行中循环液温度和钻孔壁温的影响。结果显示:循环液进口温度随着渗流速度的增加而升高。渗流速度较低(<1×10^(-7)m/s)时,渗流速度对循环液进口温度的影响相对较小;渗流速度较高时,即使大地热流较小,循环液进口温度仍能达到低渗流速度时的值。地下水渗流对于减缓换热器周围土壤温度的下降有所帮助,但并不能完全抵消温度的降低。

关中地区中深层地埋管换热器长期运行性能研究

我国关中地区地热资源丰富,中深层地热能供暖技术具有广阔的应用前景,而地质参数是影响中深层地埋管供暖系统性能的决定性因素。针对陕西关中地区中深层地埋管供暖性能展开研究,通过梳理关中地区咸阳市兴平市、咸阳市渭城区、西安市高陵区、西安市鄠邑区、西安市长安区5个典型区域的地质参数,结合典型地埋管结构参数,对长期运行下的换热器性能及热作用半径变化规律进行模拟计算。结果表明,不同地区换热器运行之初的性能变化较为显著,但均在经过5 a左右运行后趋于稳定。地埋管深度从2000 m增至2500 m时,出口水温有着明显的提升,同一时刻下出口水温的涨幅可达8%,各采暖季末的出口水温随深度增加的变化更为显著。由于长期运行,年平均取热功率呈现下降趋势,20 a内的总降幅为11%~12%;随着换热器埋深的增加,取热功率涨幅可达41.41%~53.23%。热作用半径受埋深的影响不显著,不同埋深管道运行20 a后的井底最大热作用半径均在50 m左右;土壤温度受与换热器距离及运行时长的影响更大,距离20 m以内的土壤温度呈现明显的波动下降趋势,而距离在60 m以外的土壤温度在20 a的运行期内降幅很小。此外,由于具有大厚度新近系张家坡组(N2z)和新近系蓝田-灞河组(N2l+b)的地质条件,西安市鄠邑区、高陵区以及咸阳市兴平市等地区地埋管的出口水温、取热功率较高,更适宜开展中深层地热能供暖利用。研究成果有望为关中地区中深层地热能高效利用提供参考。

非采暖季蓄热对中深层地埋管换热器运行的影响

为了缓解地埋管换热器长期运行导致的取热能力和周围岩土温度场明显下降问题,分析非采暖季蓄热对中深层地埋管换热器运行的影响,探讨蓄热时间、余热介质温度以及循环液质量流量对不同深度地埋管运行的影响。通过建立物理模型和数值模型,采用有限差分法计算中深层地埋管换热器在非采暖季蓄热的效果,对不同蓄热工况下中深层地埋管换热器的取热量进行对比分析。结果显示:增大蓄热时间、余热介质温度和循环液质量流量,取热量均增加;相同条件下单孔中深层地埋管换热器的取热量会随着埋管深度增加呈正比例增大。

中深层地埋管热泵系统供暖源侧参数设计方法

依赖于既有工程经验数据或地埋管换热能力短期测试结果,采用粗放式方法进行中深层地埋管热泵系统源侧设计,导致地埋管系统容量配置不合理,影响热泵系统供暖的可靠性与经济性。为改善地埋管系统设计现状,采用动态仿真手段,同时虑及设计负荷、累计负荷、负荷逐时分布规律,分析长时间维度中深层地埋管地热资源非稳态特性和岩土温度自恢复特性,提出基于地下岩土“终态年度周期性冷热平衡”状态来确定地源侧设计供回水温度,进一步以地源侧全生命期年均成本最低进行最优化计算来确定源侧设计流量的设计方法,并将其应用于某工程项目,实现了地源侧参数的设计优化。

中深层地埋管热泵系统运行性能测试平台及方法研究

中深层地埋管热泵供热系统的运行性能受地热地质条件影响显著。本文针对新建项目缺乏地热地质资料的情况,提出了该技术的现场测试平台及方法,在建设初期即可明确实际应用效果。将该方法应用于我国寒冷地区某新建项目,实测结果表明,1根埋深2750 m的中深层地埋管连续运行尖峰取热能力达到450 kW,热泵机组尖峰供热能力达到600 kW。对中深层地埋管取热特性、热泵系统运行特性开展了变工况测试研究,可为项目规划设计及技术的推广应用提供数据支撑。

某中深层地埋管地源热泵系统测试与分析

中深层地热“取热不取水”技术是中深层地埋管地源热泵系统的核心,是影响整个系统设计与性能的主要因素。为了更全面地认识中深层地埋管地源热泵系统性能,本文对位于陕西省某矿区的孔深为3183 m的中深层地埋管地源热泵系统进行了测试,测试参数包括地下岩土层初始平均温度、地热井取热能力、热泵系统运行工况参数及系统冬季性能系数,获得了部分数据,并对结果进行了分析。通过分析可知,该地热井井底初始温度为107℃,不同深度地下温度的平均温度约70℃;单位管长换热量为217.4 W/m,在供水温度为70℃,采用散热片为末端,供暖部分负荷率约为25%时,系统性能系数为1.99。本文研究可为中深层地埋管地源热泵系统设计及运行提供参考。

中深层地埋管地热供热系统长期取热性能评价与经济性分析

使用开源数值模拟软件OpenGeoSys建立了中深层地埋管换热器三维数值模型,探究了不同钻井深度下的中深层地埋管换热器长期取热性能并进行了系统经济性分析。结果表明:随着中深层套管式地埋管换热器钻井深度的增加,其取热能力明显提升,但与此同时初投资与运行成本也将增加;综合考虑系统初投资及耦合热泵和循环水泵运行成本,在给定参数条件下,钻井深度为2600 m的中深层地埋管地热供热系统具有最低的平均能源成本,系统投资回收期为10 a左右。

西北省会城市地热中深层地埋管供热系统发展潜力及环境效益分析

笔者回顾并对比分析了西北省会城市供热现状及环境空气质量,指出传统采暖方式是影响该区环境空气质量的主要因素之一,而地热清洁能源的使用将有助于改善环境空气质量。传统热水井取热方式受地质条件制约较大,近年来一种取热不取水的新型地热开发利用技术——中深层地埋管供热系统应运而生,发展迅速。但是,以往的研究多集中于地面供热系统及管井换热能力的研究,对于地热资源储量及承载力的研究较少。在分析该技术适用范围的基础上,总结西北五省省会城市的地热资源条件,采用适当的方法结合城市建设范围估算地热可采资源量,分析在城市中推广使用中深层地埋管供热系统的前景及环境效益,并提出后续研究方向。

渭河盆地中深层地埋管供热技术初步探析

渭河盆地地热资源丰富,开发利用历史悠久,以洗浴、供热为主,但原有开发模式属掠夺式开发利用,对资源损害较大,近年来中深层地埋管供热技术的研究使用,开创了一种新型利用模式,也激发了渭河盆地地热资源开发利用的新高潮。本文通过分析渭河盆地地热资源特征及中深层地热资源开发利用现状,结合高校、科研、企事业单位在中深层地埋管供热技术的研究,结合工作实际,对中深层地埋管供热技术进行了初步探析,大致了解了中深层地埋管供热技术的研究现状,分析出其中存在的地埋管传热机理复杂、持续换热稳定性低、换热效率较低等问题,提出下一步的研究方向。

中深层地埋管换热器传热过程对周围岩土体的热影响

利用传热数值计算模型,分析了不同取热工况下地埋管周围岩土体的温度响应及变化情况。给出了热影响半径的定义,研究了不同运行时间和取热负荷下单个钻孔和多个钻孔埋管对周围岩土体产生的热影响半径。结果表明,当钻孔深度为2000m时,1750m处的热影响半径最大;当采用3×3的钻孔布置形式时,建议钻孔间距大于100m,名义取热量损失率小于5%。

套管式中深层地埋管换热器传热建模及取热分析

为了研究无干扰换热条件下,中深层地热能的实际取热性能,文章通过数值模拟方法模拟计算了套管式中深层地埋管换热器的名义取热量。模拟结果表明,套管式中深层地埋管换热器的名义取热量随着钻孔深度、大地热流、循环水流量、当地大气年平均温度的增加而增加。套管式中深层地埋管换热器周围土层的地质条件分布也影响着中深层地埋管换热器的名义取热量,具体表现为浅层土层的导热系数越小,中深层地埋管换热器的名义取热量越大;深层土层的导热系数越大,中深层地埋管换热器的名义取热量也越大。通过调整地埋管换热器的相关参数,并选择合适的地埋管埋设地点等优化措施,可使套管式中深层地埋管换热器达到可观的名义取热量。

地下水渗流对中深层地埋管取热性能的影响规律

中深层地热能是我国重点发展的可再生能源,中深层地下水渗流会对埋管取热性能和取热可持续性产生重要影响,但其影响规律在长时间、多周期情况下尚不明确。为此,基于自主开发的埋管与地层双向耦合传热解析模型,通过一原位试验井参数,研究了埋管在单个取热期、多取热周期情况下的性能,并通过变化率、降低程度等重要参数定量评估了地下水渗流的影响。研究结果表明:①单个取热期中,地下水渗流对埋管出口温度和取热功率的增幅作用在取热初始时刻很小,随着运行时间累积而增长;②单个取热期中,当试验井中达西速度大于3×10^(-7) m/s时,含水层中的局部降低程度才低于无含水层,此时增强了局部取热可持续性;③多周期取热时,在各个达西速度下,取热期瞬态阶段的取热性能随运行年限的降低程度要高于取热期稳定阶段;④多周期取热中达西速度在4×10^(-7) m/s以上时局部降低程度近似为0,此时每年取热期的取热性能维持不变。结论认为,建立的中深层地埋管与地层双向耦合传热解析模型,分析了埋管取热性能随地下水渗流速度的变化规律,为我国中深层地热能的开发利用奠定了基础。

中深层地埋管换热器运行模式对岩土热恢复特性的影响

为探究中深层地埋管换热器的运行模式对其周围岩土热恢复特性的影响,建立了中深层地埋管换热器与周围岩土的耦合传热模型,基于有限差分法将控制方程离散求解,并利用项目实测数据加以验证。研究结果显示:在系统运行的15 a间,不同运停比下的中深层岩土温度均呈周期性变化,而且运停比越小,岩土热恢复程度越高;当运停比分别为24∶0,16∶8,12∶12和8∶16时,运行15 a后的中深层岩土温度能分别恢复至初始温度的95.24%,96.62%,97.35%和98.16%;系统运行15 a后,在24∶0,16∶8,12∶12和8∶16运停比下,热影响半径分别为91.36,83.07,75.52,68.65 m;以运停比24∶0所对应的热影响半径为基准,其余3种运停比下的热影响半径分别减少9.07%,17.34%和24.86%。

中深层地埋管地热热泵供暖关键技术研究与应用

推进北方地区清洁供暖是党和政府及社会各界高度关注的重大民生工程,是蓝天保卫战中最艰巨的任务。本项目响应国家清洁供暖和双碳战略重大需求,攻克了低环境温度条件下高热负荷应用的可再生能源供暖难题,开展了中深层地埋管热泵供暖“理论研究-关键产品-设计施工-标准规范”全链条创新工作。首创超长同轴、密闭金属套管结构换热器,专用高蒸发温度、小热源流量的高效变频离心热泵机组和无毒、长时间流态化孔壁封堵压浆材料,构建了勘察与计算互校的系统化设计方法,独创专用施工工艺,主编系列中深层地埋管热泵供暖工程技术标准,形成了规模化应用技术体系,有力推动了我国北方地区可再生能源供暖的实施,为我国建筑供暖应对气候变化提供了全新解决方案。

井群排布形式对中深层地埋管换热器性能的影响

随着中深层地埋管换热器陆续应用于较大规模建筑和区域供热,中深层地埋管换热器井群的排布形式已成为设计过程中一个重要因素。文章通过分析地埋管井孔内外的传热过程,建立了中深层地埋管换热器内、外非稳态传热模型,并依托某工程实测数据验证了所建模型与计算方法的正确性。利用验证后的数学模型研究不同排布形式对中深层地埋管换热器井群换热性能的影响。结果表明,菱形排布下处于井群下游的换热器的换热功率明显高于正方形排布,随着系统运行时间的增加,两者差距增大。因此,菱形排布下的换热器能够避免冷量扩散的影响,可以保持更好的换热性能。

中深层地埋管换热器变延米传热模型研究

中深层地埋管换热器热泵供热技术已逐渐成为我国双碳目标下北方清洁供热可选方案之一,建立中深层地埋管换热器解析解传热模型是推广及应用这一技术的关键。文章基于无限长线热源模型,针对中深层地埋管外岩土的传热过程提出了改进的瞬时热阻;取消了孔壁温度均匀的假设,建立了由钻孔内循环液至远端岩土的整个传热过程的传热一体化模型;利用温度叠加原理及拉普拉斯变换法获得了变延米换热量条件下流体温度解析解。通过对比验证发现模型具有较高的精度,并基于该模型,分析了钻孔深度、地温梯度、岩土导热系数以及循环液流量对地埋管换热器最大换热功率以及出口水温的影响。

中深层地埋管换热器管径比对换热性能的影响研究

中深层地埋管换热器作为中深层地源热泵系统中最重要的组成部分,换热性能的高低与否将直接影响系统的运行效率和投资回报。该文建立中深层地埋管换热器内、外非稳态传热模型,描述井孔内外的传热过程,并以天津市某工程为依托,结合现场实测数据,验证所建模型的正确性。基于验证后的数学模型,采用数值模拟的方法研究不同内外管径比对套管式中深层地埋管换热器换热性能的影响。结果表明,随着进、出水管管径比的增大,换热器的进、出口温差和换热功率也明显增大。需综合考虑,选择合适的管径比使中深层地埋管换热器性能达到最佳。

中深层地埋管换热器分层回填的模拟研究

在中深层地热能应用中,为了降低中深层地埋管换热器的初始投资,从而在实际工程中中深层地埋管换热器实现高效能取热,利用Fortran程序模拟分析了不同深度处回填材料的性能对整个换热器名义取热量的影响,提出了采用不同性能的回填材料,对中深层地埋管换热器进行分层回填的方法。研究结果表明:地埋管换热器的名义取热量随浅层回填材料深度的增加而增加;地埋管换热器的名义取热量受浅层回填材料性能的影响不大,而深层回填材料的性能对地埋管换热器名义取热量的影响很大,进而进行经济性分析调整不同深浅回填材料组合的性能,以实现地埋管换热器低投资、高效能。